神奇自然界：仿生复合材料设计（二）

自下而上的组装，自上而下的塑造

塑造物质实验室还采用了自下而上的方法，从基本的构建模块开始，让自然界告诉材料的结构。Masania一直专注于轻质和强度，研究了珍珠、骨头、木头和蜘蛛丝等材料的层次复杂性。

以骨头为例，通常会有一种离子溶液被细胞捕获，在一个叫做生物矿化的过程中代谢，这些沉淀作为矿物组织沉积下来，马萨尼亚指出。在植物细胞中也是如此。在植物细胞中，你会看到纤维素合成酶复合物，这是一种产生纤维素的酶，纤维素也被一层一层地沉积下来。常见的是这种纳米级别的自下而上的组装与自上而下的细胞塑造相结合。

Masania和他的团队利用AM将自下而上的自我组装与自上而下的塑形相结合。与其他传统复合材料制造方法相比，AM制造方法除了具有“复杂性免费”、交货时间短、减少加工步骤和减少浪费等关键优势外，就生物仿生而言，AM制造过程似乎也符合要求，因为大自然的建造策略往往是AM。

体现该方法的一个例子是利用基于挤压的3D打印来克服聚合物的弱点和低刚度问题。具体来说，自旋打印——一种熔合丝制造(FFF)印刷方法——被用来开发液晶聚合物(LCPs)的定向组装和自组装，以研究各向异性和孔隙率的作用，并将这些微观结构设计应用于大型结构。

在层次结构上，lcp是非常基本的分子，并在局部以各向同性的方向排列。它们有一个非常特殊的技巧，这是在80年代建立的，Masania解释说。当你对各向同性的LCPs加热，施加剪切或伸长应力时，你就能够在分子上定位材料。因此，我们能够采用一种与传统聚合物具有类似性能的材料，通过3D打印的分层结构和定向，提升机械性能。这是令人震惊的，因为它只是一种聚合物，但通过分子排列，我们可以得到比玻璃纤维复合材料强很多的东西，它比聚醚醚酮(PEEK)的硬度和强度大约高10倍。

此外，结合3D打印塑形自由度，自组装聚合物使工程师能够明确地跟踪物体中的应力路径，如加固孔洞。例如，据报道，使用自组装3D打印聚合物的开孔强度约为370 MPa，其刚度为25-30 GPa，而原始各向同性材料的强度合刚度相对较低。该技术目前正被初创公司NematX AG (Zürich, Switzerland)用于工业、航空航天和医疗应用的一系列功能部件的商业开发。

清华伯克利深圳学院(Berkeley, california, U.S.)也对AM进行了类似的调查。该实验室使用石墨烯作为模型构建块，通过3D打印的模板定向组装方法，成功地制作了多尺度结构，具有跨越七个数量级(从纳米到厘米)的可定制特征。具体来说，采用数字光处理(DLP，一种基于还原聚合的3D打印技术)在中尺度和宏观尺度上定制结构，并使用自组装来定制结构的纳米和微米尺度结构。这种精心的不同尺度的结构控制产生了超低密度(≥0.08 mg cm-3)和超高刚度的材料。据说，这种方法不仅证明了控制具有高度复杂性的多尺度层次石墨烯结构，而且可以应用于其他聚合物或纳米粒子胶体分散体系。

另一种方法是通过基于水的数字制造项目，由麻省理工学院(MIT, Cambridge, Mass)的媒介物质小组开发。其应用了一种机器人控制的多室挤压系统来沉积生物材料，如从天然聚合物甲壳素中提取的壳聚糖，以创建具有各向异性特性、多功能和结构自组装潜力的复杂结构。描述的制造试验包括一个50厘米长的结构，灵感来自蜻蜓的翅膀。

随着对复合材料解决方案的需求增加，这些解决方案能够更好地容忍损坏，包括由压缩引起的失效机制，生物模仿成为一个越来越重要的灵感来源。自然界中的设计图案--包括纤维状、螺旋状、梯度状、分层状、管状、缝合状和重叠状--都有一个类似的损伤容忍机制。它们通过脆性材料之间的剪切来耗散能量；它们还提供裂纹扩散、裂纹偏移、裂纹停止、拉出机制、摩擦、裂纹扭曲、塑性变形和裂纹钝化。

根据布里斯托尔大学航空航天工程系先进材料教授理查德-特拉斯克的说法，压缩是复合材料的一个巨大的致命弱点。他的大部分工作都集中在吸收能量和提高损伤耐受性的方法上。他说，我们试图弄清楚的是，是否有一种改变基体材料和/或纤维的方法，更类似于我们在自然界看到的情况。

布里斯托尔大学与伦敦帝国学院合作，通过英国工程和物理科学研究委员会（EPSRC）提供的620万英镑的项目资助，带头开展这项活动，这是一个始于2019年的五年项目。NextCOMP正在通过对生物系统的研究来应对复合材料在压缩过程中的性能挑战，既是为了解决当前材料的实际局限性，也是对自然界中发现的定量分层设计的价值的展示。机械建模、树脂系统、纤维平台、层级和捆绑系统以及原位机械研究是项目合作伙伴将展示、观察和提出研究结果的各个层面，涵盖了从海洋和汽车到航空航天和保健部门的应用。

另一个由英国EPSRC支持并由空客公司(法国)赞助的项目，研究了一种六边形海洋海绵，即曲霉菌，为轻量化机身的设计提供依据，可以针对特定的负载进行优化。评估海绵的设计特征是否可以通过AM转移到新的架构中也被考虑了。哈佛大学John a . Paulson工程与应用科学学院(SEAS)的研究人员在“受深海玻璃海绵启发的机械坚固格子”一文中指出，海绵的骨骼系统具有对角线增强的棋盘状方形格状结构。这些网格能够比传统网格承受更高的性能负载而不屈曲，并提供20%的整体结构强度增加。

Trask和他的团队使用微计算机断层扫描(μCT)在原位压缩夹具中评估了骨骼晶格，描述了其层次结构，并生成了三维表征，用于通过有限元(FE)模型测试，通过3D打印确定其复制能力。

海绵就像一系列融合在一起的独立的股线。这意味着你可以允许链偏离到不同的加载路径。当你试图让它再次受到弯曲载荷或压缩载荷时，晶格中的这些接触点开始断裂。每一次断裂，它们最终会给你更多的灵活性来吸收越来越多的能量。

他指出，这些长度和直径不同的纤维也有助于损伤吸收。海绵使用不同的长度和直径来控制失败的区域，因此可以将损伤限制在特定的区域，使海绵在攻击中存活下来，并重建晶格。他补充说。

据Trask说，虽然创建的标本表现出与曲霉E. aspergillum相似的起始和传播破坏模式，但宏观变形行为被改变为更耐损伤的准脆性破坏模式。在他看来，还需要进一步的调查才能真正弄清原因。此外，直接模仿材料结构和设计特征被发现超出了目前AM的进步。不过，他承认研究结果显示了相当大的潜力。

就像海洋海绵中发现的珍珠层或晶格的重叠设计一样，螺旋或螺旋特征是生物材料中最常见的结构，在微观和宏观层面上都是如此。生物体已经进化到使用螺旋体从这种结构提供的显著性能改进中受益。螺旋体工业公司(美国)通过一系列专利和对技术的广泛知识和理解，正在探索和商业化这些螺旋结构。

螺旋体的组成材料在每个层次上都有不同的组织，以提供独特的轻量化和抗损伤结构。螺旋体工业公司通过其对原材料、工艺和应用的开发——包括碳、玻璃和天然纤维增强聚合物(CFRP、GFRP、NFRP)——已经证明其螺旋体技术能够：

• 延迟灾难性破坏74%(使用薄层碳纤维增强塑料)。
• 将局部凹陷深度降低50%(在低速冲击下使用航空航天级CFRP)。
• 增加40%的抗冲击强度(CFRP, GFRP和亚麻FRP测量)。
• 使用航空航天级CFRP可使冲击后残余抗压强度(CAI)提高20%，并降低缺口灵敏度(OHT)。
• 将碳纤维聚丙烯复合材料的冲击疲劳提高40%。
• 通过展示由80%亚麻(按质量计算)和20%玻璃制成的生物灵感混合螺旋结构，可以实现与传统全玻璃纤维层压板(100%)相似的穿孔能量，从而促进天然纤维复合材料的更广泛使用。

下一步是与众多行业的生产商合作，为各种应用的产品嵌入螺旋结构，以实现高成本的制造能力和扩大规模。

螺旋体工业公司致力于开发更可持续的复合材料，这也得到了最近由美国能源部(DOE)与密歇根州立大学(东兰辛)及其车辆复合材料中心合作授予的SBIR的支持，旨在使用仿生学和螺旋型技术来提高天然纤维复合材料的性能。

螺旋体工业公司首席执行官Chad Wasilenkoff指出，使用螺旋体技术可以制造复合材料的几种制造工艺，包括自动纤维放置(AFP)、手工或自动铺层和纤维缠绕——该公司已使用后者使用玻璃、芳纶和碳纤维制造轴、管和压力容器，所有这些都使用各种树脂。使用连续纤维增强复合材料的3D打印螺旋设计也已经在实验室水平上进行了探索，与增材制造技术非常匹配，但进一步的评估仍在进行中，尚未商业化。

对于需要处理干纤维和灌注过程的高容量、高速率的制造应用，螺旋体公司还与领先的非卷曲织物(NCF)供应商合作，开发可定制的螺旋体多轴NCF预制件，将螺旋技术部分嵌入到“单层”中，以提供一个具有成本效益的解决方案。螺旋体还与美国的一家一级汽车零部件制造商合作，该制造商将使用螺旋体多轴织物为预计将于2022年第四季度发布的电动汽车车身下保护面板制作演示。

无论是防止风叶片前缘的雨水侵蚀，增强汽车承重结构(例如，电动汽车电池外壳)，提高高性能体育用品和摩托车头盔的结构完整性和能量吸收，还是用于飞机螺旋桨和喷气发动机的复合材料叶片的优良抗穿孔性能，螺旋复合材料层合板都能够优于传统解决方案。大量案例研究的亮点表明，螺旋体技术的应用范围非常广泛，并正在继续释放其颠覆性潜力。

虽然仿生复合材料的机械性能可能并不总是超过工程合成材料，但很明显，以自然为灵感的复合材料在这个行业的未来有一个位置，即使更多的是灵感而不是复制。事实上，模仿是仿生学科的关键目标，灵感已经成为一种共同的趋势。我们有比自然界更多的合成材料可以选择，而且我们在一种不同的加载机制下运行。然而，当我们从自然界借用结构的概念时，我们期望它们也会以同样的方式表现。即我们受到(自然)的启发，但可以扩展并通过其他想法向前发展。

仿生学绝不应该以复制自然界中发现的形式、特征或系统为目标。这通常是一种误解，导致以错误的方式使用仿生学。相反，仿生学应该包括理解与自然界结构/系统相关的某些特征/行为及其功能之间的关系。这是我们从观察自然中得到的最好的礼物。在这一点上，工程师必须理解如何应用相同的结构-功能关系来增强工程应用。